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LiteBIRDの実験概要

平成２３年１月7日、 JAXA 科学衛星シンポジウム

松村知岳(KEK）、LiteBIRDワーキンググループ

LiteBIRDのポスター発表

JAXA科学シンポジウム２０１１年１月７日

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P3‐170 Development of superconducting detectors for LiteBIRDHirokazu Ishino，Mitsuhiro Yoshida, Hiroki Watanabe, Masashi Hazumi, Satoru Mima,Kaori Hattori, Atsuko Kibayashi

P3‐171 広域周波数帯ミリ波背景放射偏光観測に向けたSinuousアンテナ結合型TESボロメターと反射防止膜の開発

鈴木有春 (UCB), 他LiteBIRDワーキンググループ

P3‐172 LiteBIRDにおける全天スキャンおよびデータサイズの研究服部香里, 他LiteBIRDワーキンググループ

P3‐173 LiteBIRD: Simulation study of the sensitivityN. Katayama, LiteBIRD working group

P3‐174 宇宙背景放射偏光観測小型科学衛星LiteBIRDの概要羽澄昌史, LiteBIRDワーキンググループ

P3‐175 Development of a millimeter/sub‐millimeter camera with superconducting resonatorsM. Naruse, Y.Sekimoto (NAOJ, the University of Tokyo), T. Noguchi, Y. Uzawa, A. Miyachi (NAOJ), T. Nitta (University of Tsukuba)

P3‐176 Thermal desigen of the small satellite "LiteBIRD"Suguru Takada, LiteBIRD WG

P3‐177 Design of Optics and Focal Plane for LiteBIRDIzumi Ohta, Tomotake Matsumura, Mitsuhiro Yoshida, LiteBIRD WG

LiteBIRDによるインフレーション宇宙論の検証


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Cosmic Microwave Background (CMB) Radiation

LiteBIRD

Planck

次世代のCMB衛星を打ち上げる世界的競争がある。

ぜひ日本が主導で！

インフレーションに起因する原始重力波によって生み出される宇宙マイクロ波背景放射（CMB）のBモード偏光を詳細観測する。

‐ 初期宇宙の物理を検証、そして理解したい!!‐ 地上では到達できない超高エネルギー物理を理解。

なぜ衛星が必要か？


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なぜLiteBIRDが必要か？

CMBの偏光観測は現在、世界中で地上、気球および衛星実験にて進行中。

地上実験観測時間が数年のタイムスケール。しかし、大気が邪魔。

気球実験大気の影響は少ないが、観測時間が長くても一ヶ月。

衛星の利点‐ 大気が無いため高感度‐ 観測時間‐ 全天観測

Planck

LiteBIRD

現在、CMB衛星としてWMAPとPlanckが観測中。

B‐mode

LiteBIRD：プロジェクトマネジメントの進展


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２００８年９月小型科学衛星ワーキンググループ提案が承認される

２００９年３月日本物理学会・宇宙線宇宙物理領域「宇宙背景輻射」セッション誕生

２００９年７月平成２１－２５年度科研費新学術領域研究（研究領域提案型）「背景放射で拓く宇宙創成の物理―インフレーションからダークエイジまで―」採択

– メインは地上でサイエンスの結果を出すこと– LiteBIRDに関しては基礎的試作の経費（特に焦点面検出器）

２０１０年１月小型科学衛星ワーキンググループ継続提案が承認される

２０１０年３月日本物理学会ＣＭＢシンポジウム

日本学術会議記録「天文学・宇宙物理学の展望と長期計画」において言及

QUIET

POLARBEAR

現在は

前哨戦としての地上CMB実験（QUIET、POLARBEAR）要素技術の実証系統誤差の徹底理解

他プロジェクトとの技術的連携相乗効果・波及効果DIOS：冷凍機システムなどASTE： TESボロメータ読み出しシステムなど

QUIETから最初の結果が昨年１２月に発表！（arXiv:1012.3191、ApJに投稿）

LiteBIRD WGメンバー


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• 福家英之、松原英雄、満田和久、吉田哲也（ISAS/JAXA） ⇒ SPICA, DIOS, 大気球

• 佐藤洋一、篠崎慶亮、杉田寛之（ARD/JAXA）

• 石野宏和、樹林敦子、服部香里、三澤尚典、美馬覚（岡山大理）• Adnan Ghribi、William Holzapfel、Bradley Johnson、Adrian Lee、Paul Richards、Aritoki Suzuki、 Huan

Tran(UC Berkeley/LBNL） ⇒ POLARBEAR, EBEX, APEX, EPIC, BICEP, SPT

• Julian Borrill (LBNL) ⇒ Planck, POLARBEAR, EBEX

• 大田泉（近畿大）• 吉田光宏（加速器/KEK）

• 石徹白晃治、片山伸彦、佐藤伸明、住澤一高、田島治、永井誠、永田竜、西野玄記、羽澄昌史、長谷川雅也、樋口岳雄、松村知岳（IPNS/KEK） ⇒ QUIET, POLARBEAR, （Planck, BICEP, EBEX 松村）

• 木村誠宏、鈴木敏一、都丸隆行（低温セ/KEK） ⇒ POLARBEAR

• 柳沼えり（総研大）

• 小松英一郎（UT Austin） ⇒ WMAP

• 鵜澤佳徳、関本裕太郎、野口卓（ATC/NAOJ）、

• 茅根裕司、服部誠（東北大理） ⇒ QUIET（茅根）

• 高田卓（筑波大）• 大谷知行（理研）

• 高木雄太、中村正吾、村山慧（横浜国大）

• コンサルタント：小玉英雄（KEK)、中川貴雄（JAXA)、川邊良平（NAOJ)

２０１０年１１月２６日現在

LiteBIRD：衛星の構成


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4Kの反射光学系主鏡、副鏡

放熱板/サンシールド

小型衛星標準バス

ソーラーパネル常温ミッション部読み出しエレキ、冷凍機

入射光

入射光

主鏡

副鏡

100mK 焦点面トラス

４K光学系及び焦点面

打ち上げ時期：小型衛星３−４号機として２０１８年頃の打ち上げ。観測期間：１年以上。軌道：太陽同期軌道。

地球周回以外にL2での観測も議論中。ロケット：イプシロンロケット。重量： 400 kg（バス部を含む）姿勢：太陽と地球に背を向けたスピン衛星。搭載機器：

ミリ波反射型望遠鏡解像度: 30 arcmin.の解像度（＠150GHz）。

検出器動作温度100 mKの超伝導検出器。帯域: 50‐250 GHz

冷凍機系は後に詳述

冷凍機系は後に詳述

LiteBIRD：光学系


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空からの入射光

副鏡

主鏡

焦点面

小型科学衛星に適した、実験感度を上げるための焦点面の有効活用

１つのピクセル（レンズ）で６つの検出器‐ 直交する２つの直線偏光‐ ３つのバンドをカバー

この光学系で利用可能な焦点面

30cm

50cm

光学系全体を極低温に冷却する。

レンズの直径

30cm

100/150/220GHzピクセル

60/80/100GHzピクセル

偏光検出器数〜2000実験感度 2 uK・arcmin

CMBだけでなく、前景放射（シンクロトロン放射およびダスト放射）も同時に全天観測。

LiteBIRD：検出器


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TESボロメータ MKID

STJ• 信号ノイズより低いノイズレベル(aW∙√s)• SQUIDを用いた低ノイズ＋多チャンネルの読み出し• 地上(POLARBEAR1,2)、気球実験(EBEX)での実績• 広域周波数帯アンテナとの結合も実証済み

5x5mm2

9

7μmφSTJ

上のスクリーンにミリ波（80GHz）を照射し、透過波を0.3KのSTJを用いて検出

0.3Kにて，ミリ波（80GHz)の検出に成功．

Q～5000程度@ 0.32 K

ミリ波照射

二色ピクセル

(90, 150 GHz)

の偏光測定結果

LiteBIRD：熱解析及び冷凍機


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SPICA, Astro‐H, Diosで検討されている冷凍機を利用。Cooling Chain

2 stage

Staring Co

oler

JT

cooler

4 K

20 K 10

0K

焦点

面0.1 K

3 stage

ADR

Mirrors

300K

光学

系Bo

x

Shields

バス部

太陽側

深宇宙

地球周回軌道を仮定したThermal desktopによる熱解析

展開式サンシールドによる熱放射により、既存の冷凍能力を仮定した冷凍機で、4Kの光学系を達成可能。

現在、放熱板シールドの大きさの最適化（最小化）、について検討中。

shi

LiteBIRD：軌道/スキャン


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軌道：太陽同期軌道を仮定。

歳差運動と地球の公転で全天観測。

スピン軸〜数 RPM

歳差運動〜0.6 RPH

衛星スピンの回転速度を数RPMに設定する。結果、CMBのシグナルの変化を検出器の1/f よりも高い周波数にシグナルを設定。

３RPMを仮定した場合

2000個の超伝導素子の時系列〜2.5 Mbps⇒オンボード圧縮で〜.64 Mbps

地上局

月の周囲±60°をカット

観測時間の一様性

１日

１年

まとめ


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CMB偏光Bモードをとらえることができれば、ビッグバン以前の宇宙からの信号（原始重力波）を検出できる！

WGグループでシステム設計が進行中。

衛星成功へ地上実験QUIETとPOLARBEARで科学的そして技術的準備中。

他プロジェクトとの技術連携超伝導検出器/読み出しシステム、冷凍機

LiteBIRD：焦点面


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60GHz100GHz150GHz220GHz

300GHz

30cm in ydirectiony

x

Scan direction

8 cm site‐to‐site wafer cut

100/150/220GHz

60/80/100GHz

LiteBIRD：軌道/スキャン


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軌道：太陽同期軌道を仮定。

150 MkmSun ↔ Earth

Satellite

0.38 MkmEarth ↔Moon

α = 76 degsβ = 34 degs

xy

z

Spin axis

Anti‐sun

Boresight

6000K

300K175K

Boresight

Spin axis

Anti‐sun

γ: relative angle betw/nmoon and boresight (60 degs)

LiteBIRDの実験概要LiteBIRDによるインフレーション宇宙論の検証

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